JP2007294199A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素供給層における空気の流れが不十分でも効率的に水素ガスの上流側へ生成水を運搬して、起動後の電解質層の発電性能を短時間で高め得る燃料電池を提供する。
【解決手段】酸素供給層１４を共有する第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとにおける水素ガスの流れる方向を逆に設定する。第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとが酸素供給層１４を介して相補的に水蒸気を出し入れして、酸素供給層１４における平面的な水分量のばらつきが平均化される。これにより、加湿・水管理の機構が無くても、第１膜電極接合体１０Ａ、第２膜電極接合体１０Ｂがいずれも上流側から下流側まで均一に加湿され、起動後の出力立ち上がりが速やかになり、長時間に渡り安定した出力が得られる。
【選択図】図３

Description

本発明は、水素ガスを大気中の酸素と反応させて発電する燃料電池、詳しくは、発電に伴って生成される水分子を有効利用して電解質層の平面的な湿潤度のばらつきを減らす構造に関する。

水素ガスを燃料とする燃料電池は、体積あたりの供給可能なエネルギー量が従来の二次電池に比べて各段に大きく、燃料を充填することにより構造全体を繰り返し利用できる。可動機構無しでも構成できるので騒音が少なく、発電に伴って炭酸ガスを発生することもない。従って、軽量小型・長寿命・無公害の電源として、携帯電話、ノートパソコン、入力端末、電動カミソリ、コードレス掃除機等の小型電気機器への応用が期待されている。

特許文献１には、高分子電解質膜の両側に燃料供給層と酸素供給層とを配置した燃料電池が示される。ここでは、連結ボルトの通し孔を兼ねた水素ガスの供給孔が中央に配置され、それぞれ円板状に形成された燃料供給層、高分子電解質膜、酸素供給層、セパレータ等を一定の順番で積み重ねている。そして、加圧ポンプや送風ファン等に頼ることなく、水素ガスと大気中の酸素とを反応させており、高分子電解質膜は、酸素供給層を拡散移動する反応生成物の水蒸気によって加湿される。

特許文献２には、セパレータを用いることなく発電セルを積み重ねた燃料電池が示される。膜電極接合体は、高分子電解質膜の表裏両面に電極層を一体に形成した機能材料である。側面側を大気に開放した酸素供給層の表裏両面に膜電極接合体が配置され、酸素供給層の表裏両側に膜電極接合体を介して一対の燃料供給層が配置されている。酸素供給層および燃料供給層は、表裏両面が発電に関与するため、片面のみを関与させる特許文献１の構造に比較してほぼ２倍の発電面積（出力）を確保できる。また、酸素供給層と燃料供給層とを仕切るセパレータが不要なので、部品点数が減って軽量化にも都合が良い。

非特許文献１には、燃料供給層における水素ガスが流れる方向と、酸素供給層における酸素の流れる方向とを膜電極接合体の対向する面で逆方向に設定した燃料電池が示される。ここでは、膜電極接合体の酸素供給層側で発生した水蒸気を空気の流れに乗せて下流側へ運ぶことにより、下流側の膜電極接合体の湿潤度を相対的に高めている（図７参照）。湿潤度の高められた下流側では、水分子が膜電極接合体を貫通して燃料供給層へしみ出し、水素ガスを上流側で加湿する。これにより、加湿された水素ガスが下流へ流れて膜電極接合体の全面に行き渡る。従って、水素ガスの加湿機構を設置しなくても、膜電極接合体の全面で必要な湿潤度が確保されて高い発電効率と電力密度が確保される。

米国特許第５５１４４８６号明細書 特開２０００−５８１００号公報 Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｖｏｌ．１４４，Ｎｏ．８、Ｐ２７６７−２７７２、Ａｕｇｕｓｔ １９９７、Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、Ｉｎｃ．"Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ Ｗｉｔｈｏｕｔ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅａｃｔａｎｔ Ｇａｓｅｓ"、Ｆｅｌｉｘ Ｎ．Ｂｕｃｈｉ ａｎｄ Ｓｕｐｒａｍａｎｉａｍ Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ

高分子電解質膜は、分子構造中に相当量の水分子を保持した状態で水素イオンを運搬するため、蒸発、乾燥によって湿潤度が失われると発電効率が低下し、発電面の電力密度も損なわれる。特に、長期停止後の起動時には、半乾燥状態で高分子電解質膜の発電効率が低下しており、発電開始とともに高分子電解質膜の発熱が高まると、部分的に水生成による加湿が乾燥に追い付かなくなる。これにより、燃料電池の出力電圧の立ち上がりが遅れて機器の起動に支障をきたす可能性がある。

従って、特許文献１に示される燃料電池では、起動に先立たせて酸素供給層に給水を行ったり、水素ガスの供給系に加湿装置を組み込んだりして、高分子電解質膜の湿潤度を確保する必要がある。

非特許文献１に示される燃料電池では、酸素供給層における空気の流れを利用して、高分子電解質膜の全面に生成水を行き渡らせので、酸素供給層の給水や水素ガスの加湿装置は不要である。しかし、生成水の循環を酸素供給層の空気の流れに頼っているので、空気の流れが不足すると水蒸気の分配も停滞して十分な効果を発揮できなくなる可能性がある。

特許文献２に示される燃料電池では、膜電極接合体への酸素供給を専ら空気中の酸素の自然拡散に頼っているため、酸素供給層は実質的に無風状態となる（図８参照）。従って、膜電極接合体の発電が活発な部分で生成された水は、燃料供給層へしみ出して水素ガスの下流側へ運び去られ、上流側の高分子電解質膜の湿潤度はなかなか高まらない。

従って、高分子電解質膜の全面が十分な湿潤状態となって高い発電密度が得られるまでに長時間を要する。

本発明は、酸素供給層における空気の流れが不十分でも効率的に水素ガスの上流側へ生成水を運搬して、起動後の電解質層の発電性能を短時間で高め得る燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池は、厚み方向および平面方向に通気性を有する酸素供給層と、前記酸素供給層の厚み方向の両面にそれぞれ配置された一対の電解質層と、一方の前記電解質層を挟む前記酸素供給層の反対側に配置された第１燃料供給層と、他方の前記電解質層を挟む前記酸素供給層の反対側に配置された第２燃料供給層とを備えたものである。前記第１燃料供給層と第２燃料供給層とに前記酸素供給層を挟む反対方向の水素ガスの流れを形成する燃料供給手段を備えている。

本発明の燃料電池では、第１燃料供給層と第２燃料供給層とが酸素供給層を介して水蒸気を厚み方向に相補的に濃度拡散させる。第１燃料供給層の乾燥した上流側では、第２燃料供給層の湿潤度過剰な下流側から他方の電解質層、酸素供給層、一方の電解質層を介して水蒸気が流れ込み、水素ガスが加湿される。同時に、第２燃料供給層の乾燥した上流側では、第１燃料供給層の湿潤度過剰な下流側から一方の電解質層、酸素供給層、他方の電解質層を介して水蒸気が流れ込み、水素ガスが加湿される。

空気の流れが不確定な酸素供給層に頼ることなく、必ず水素ガスが流れる第１燃料供給層と第２燃料供給層とが水蒸気を確実に運搬して相補的に水蒸気を出し入れする。この水蒸気移動によって、第１燃料供給層と第２燃料供給層とにおける上流側と下流側との湿潤度の偏りがそれぞれ平均化される（図４参照）。従って、一対の電解質層がいずれもその全面が速やかに必要な湿潤度に誘導されるので、半乾燥状態からの起動でも、一対の電解質層における発電性能が速やかに立ち上がって高い発電密度を確保できる。

また、第１燃料供給層と第２燃料供給層とによって水蒸気が平面的に運搬されて、発電中の酸素供給層における水蒸気分圧の偏りが平均化されるため、生成水によってそれぞれの電解質層が局所的に浸水（水没）しにくくなる。従って、低温高湿度の悪条件で高出力運転を継続しても、浸水による反応停止が発生しにくくなる。

言い換えれば、酸素供給層を共有する一対の燃料供給層における水素ガスの流れが逆方向であるため、高出力運転でも酸素供給層が均一に加湿され、出力の安定した燃料電池を提供できる。

以下、本発明の一実施形態である燃料電池について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料電池は、以下に説明する燃料電池１００の限定的な構成には限定されない。厚み方向に通気性を有する酸素供給層の表裏両面に電解質層を介して燃料供給層を配置する限りにおいて、実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態が可能である。

例えば、実施形態では、燃料供給層の表裏両面に電解質層を配置して多数段に積み重ねた構成を説明するが、燃料供給層における酸素供給層と反対側の面が密封された薄い３層構造としてもよい。外側面が密封された薄い２層の燃料供給層をそれぞれの電解質層に重ねて１層の酸素供給層の表裏両面に配置した薄いテープ型の構成としてもよい。燃料タンクは、燃料供給層ごとに設けてもよく、燃料タンクを置き換えて炭化水素燃料等から水素ガスを発生する改質装置を配置してもよい。

燃料電池１００は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコン、電気カミソリ、コードレス掃除機等の持ち運び可能な電子機器に着脱可能に装備される燃料電池パックとして実施できる。また、発電部を機器に一体に組み込んで燃料タンク部分を着脱させる実施形態、発電部と燃料タンクとを機器に組み込んで、外部からその都度燃料タンクに燃料補給する実施形態等としても実施できる。

なお、特許文献１、２、および非特許文献１に示される燃料電池の構造、発電セルの材料と組み立て構造、動作原理、製造方法、運転条件等については、本発明の趣旨と隔たりがあるので、一部図示を省略して詳細な説明も省略する。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の燃料電池の構成を示す説明図、図２は燃料供給層の外観を示す斜視図、図３は燃料供給層における水素ガスの流れの説明図、図４は水素ガスの流れと水分移動との関係の説明図である。

図１に示すように、第１実施形態の燃料電池１００は、水素ガスを貯蔵する燃料タンク１８と、燃料タンク１８に貯蔵した水素ガスを電気化学反応させて発電する発電部１９とを備える。発電部１９は、膜電極接合体１０を介して酸素供給層１４と燃料供給層１３とを交互に積み重ねて両端にエンドプレート１５を配置している。酸素供給層１４と燃料供給層１３とは、積み重ねた上下両面が膜電極接合体１０に連絡しており、酸素供給層１４と燃料供給層１３とを密封分離するセパレータを持たない。

燃料タンク１８から取り出された水素ガスは、減圧部１７で１気圧より少し高い圧力に調整されて左右の主流路１６へ供給される。積み重ねた燃料供給層１３には、左右の主流路１６が交互に接続されている。つまり、酸素供給層１４を挟んで対向する一対の燃料供給層１３は、水素ガスの入り口が反対側にあるので、図１中に矢印で示すように、一対の燃料供給層１３には反対方向の水素ガスの流れが形成される。

酸素供給層１４は、厚み方向に通気性を有するが、積み重ね方向の中間に絶縁層を配置して、燃料供給層１３ごとの一対の酸素供給層１４をそれぞれ電気的に分離して、出力端子を設けてある。１つの燃料供給層１３と上下の酸素供給層１４とを単位の発電セルとし、上下の酸素供給層１４を短絡して（＋）出力を取り出し、燃料供給層１３からは（−）出力を取り出している。積み重ねた複数の発電セルを直列に接続して燃料電池１００全体としての出力が両端の（＋）出力と（−）出力との間から取り出される。

燃料電池１００の出力は、外部装置の負荷２０に接続されているので、負荷２０が流した電流だけ発電部１９が発電を行って出力電圧を維持する。発電量に対応した水素ガスが燃料タンク１８から各段の燃料供給層１３へ流れ込み、上下の膜電極接合体１０へ水素イオンとして供給される。膜電極接合体１０を挟む上下の燃料供給層１４では、空気中の酸素が膜電極接合体１０の表面層で水素イオンと反応して水分子を形成する。このとき、水素イオンの形成に伴って膜電極接合体１０の燃料供給層１３側で過剰となった電子が負荷２０を通じて膜電極接合体１０の酸素供給層１４側へ流れ込む。

図２に示すように、燃料供給層１３は、交互にリブ１３ｂを配置して、主流路１６から下流側へ向かう水素ガスの流路を形成してある。リブ１３ｂの間隔は、通気性と導電性とを備えた固体材料を充填して膜電極接合体１０を面状にバックアップしている。

図３に模式的に示すように、燃料電池１００は、複数の膜電極接合体１０を積層した構造を有する。各膜電極接合体１０は、それぞれ同一の構造を有し、各々高分子電解質膜１１を挟んで燃料極１２ａと酸化剤極１２ｂとを配置して構成される。高分子電解質膜１１は、プロトン伝導性を有する高分子材料、具体的には、ＤｕＰｏｎｔ社製のナフィオン（登録商標）膜により構成される。

燃料極１２ａおよび酸化剤極１２ｂは、高分子電解質膜１１に接して一体に形成された触媒層と、触媒層に接して外側に配置されたガス拡散電極とを有する。触媒層は、白金微粒子を含む導電性の多孔質材料により構成され、ガス拡散層は、カーボンクロス等の中間的な開口径で通気性を有する導電性材料により構成される。

膜電極接合体１０は、燃料極１２ａ同士或いは酸化剤極１２ｂ同士が対向するように配置される。膜電極接合体１０のそれぞれの対向間隔には、通気性を有する多孔質材料或いは膜電極接合体１０の支持部材が挿入される。これにより、燃料極１２ａ同士が対向する各膜電極接合体１０の間隔には、膜電極接合体１０に水素ガスを供給するための燃料供給層１３が形成される。また、酸化剤極１２ｂ同士が対向する膜電極接合体１０の間隔には、空気中の酸素が供給される酸素供給層１４が形成される。

ここで、説明の都合上、酸素供給層１４を挟んで上下に対向する上側の燃料供給層１３を第１燃料供給層１３Ａとし、下側の燃料供給層１３を第２燃料供給層１３Ｂとする。酸素供給層１４と第１燃料供給層１３Ａとの間の膜電極接合体１０を第１膜電極接合体１０Ａとし、酸素供給層１４と第２燃料供給層１３Ｂとの間の膜電極接合体１０を第２膜電極接合体１０Ｂとする。

第１燃料供給層１３Ａには、水素ガスが右側の開口部より供給されて左側の開口部より排出され、第２燃料供給層１３Ｂには、水素ガスが左側の開口部より供給されて右側の開口部より排出される。このため、第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとでは、水素ガスの上流側と下流側とが反対側となり、水素ガスの流れも反対方向となる。

第１実施形態では、図３中に矢印で示した方向に水素ガスが供給されるよう配管してある。酸素供給層１４を共有する一対の膜電極接合体１０（１０Ａ、１０Ｂ）のそれぞれの燃料供給層１３（１３Ａ、１３Ｂ）で水素ガスの流れ方向を反対方向に設定してある。水素ガスは、燃料タンク１８に充填された水素吸蔵合金に貯蔵され、水素吸蔵合金に保持された水素を無加湿で供給する。

一方、酸素供給層１４は、図３の紙面と垂直方向の両側面が大気に開放され、空気中の酸素が自然拡散により酸素供給層１４に取り込まれる。取り込まれた酸素は、酸素供給層１４の酸素濃度勾配に従って膜電極接合体１０の酸化剤極に供給される。このような構成の燃料電池１００内における、物質の移動を図４を用いて説明する。

図４の（ａ）に示すように、第１膜電極接合体１０Ａと第２膜電極接合体１０Ｂとは、それぞれの酸化剤極（１２ｂ：図３）が酸素供給層１４を共有する。第１膜電極接合体１０Ａを挟んだ酸素供給層１４の反対側には第１燃料供給層１３Ａが形成され、第２膜電極接合体１０Ｂを挟んだ酸素供給層１４の反対側には第２燃料供給層１３Ｂが形成される。図中矢印で示したように、第１燃料供給層１３Ａでは燃料の水素ガスが紙面右側より左方向に供給され、第２燃料供給層１３Ｂでは、紙面左側より右側に水素ガスが供給される。

燃料電池１００の発電に伴って、酸化剤極（１２ｂ：図３）で酸素が消費される。これにより酸素供給層１４内の酸素濃度が低下し、拡散により酸素供給層１４周辺の大気中より酸素供給層１４内に酸素が供給される。一方、酸化剤極（１２ｂ：図３）で発生した水は、一部が拡散により酸素供給層１４の側面より大気中に放出され、残りは酸素供給層１４内に留まる。

第１燃料供給層１３Ａにおいて、図中右より供給された水素ガスは無加湿で供給されるため乾燥している。このため、酸化剤極（１２ｂ：図３）と燃料極（１２ａ：図３）間の水濃度勾配が大きくなる。水濃度勾配によって、酸化剤極（１２ｂ：図３）から燃料極（１２ａ：図３）へ第１膜電極接合体１０Ａを貫通する水分の移動（いわゆる逆拡散）が支配的となる。

図４の（ａ）に矢印Ａで示したように、酸素供給層１４から第１燃料供給層１３Ａへの水分の移動が生じて第１燃料供給層１３Ａの水素ガスが加湿される。第１燃料供給層１３Ａの下流では、上流側で加湿された水素ガスが流れ込んで、酸化剤極（１２ｂ：図３）と燃料極（１２ａ：図３）間の水濃度勾配が小さくなり、電子移動に伴う水分の移動（いわゆる電気浸透）が支配的となる。この結果、図４の（ａ）に矢印Ｂで示したように、燃料極（１２ａ：図３）より酸化剤極（１２ｂ：図３）に水分が移動して酸素供給層１４の空気が加湿される。

第１燃料供給層１３Ａと酸素供給層１４を共有する第２燃料供給層１３Ｂにおいて、図４の（ａ）中、左より供給された水素ガスは、無加湿で供給されるため乾燥している。このため、酸化剤極（１２ｂ：図３）と燃料極（１２ａ：図３）間の水濃度勾配が大きくなり、水濃度勾配による水分の移動（いわゆる逆拡散）が支配的となる。

図４の（ａ）に矢印Ｃで示したように、酸素供給層１４から第２燃料供給層１３Ｂへの水分の移動が生じて第２燃料供給層１３Ｂの水素ガスが加湿される。第２燃料供給層１３Ｂの下流では、上流側で加湿された水素ガスが流れ込んで、酸化剤極（１２ｂ：図３）と燃料極（１２ａ：図３）間の水濃度勾配が小さくなり、電子移動に伴う水分の移動（いわゆる電気浸透）が支配的となる。この結果、図４の（ａ）に矢印Ｄで示したように、燃料極（１２ａ：図３）より酸化剤極（１２ｂ：図３）に水分が移動して酸素供給層１４の空気が加湿される。

このように、第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとにおいて水素ガスの流れる方向が逆であるため、燃料電池１００内の水分は矢印Ａ→矢印Ｂ→矢印Ｃ→矢印Ｄと移動する。これにより、図４の（ｂ）に示すように、酸素供給層１４が均一に加湿される。このため、酸素が自然拡散により供給される酸素供給層１４が実質的に無風状態の燃料電池１００であっても、水素ガスを加湿する手段無しで、速やかに出力が立ち上がる。その後、長時間に渡り安定した出力が得られる。

燃料電池１００では、酸素供給層１４を共有する一対の燃料供給層１３で水素ガスの流れる方向を逆方向に設定したため、一対の膜電極接合体１０の上流側から下流側までが均一に加湿される。このような燃料電池１００は、加湿・水管理の機構が無くても、長時間に渡り安定した出力が得られ、小型電気機器の電源等に最適に採用できる。

＜第２実施形態＞
図５は第２実施形態の燃料電池の構成の説明図である。第２実施形態の燃料電池２００は、第１実施形態の燃料電池１００と水素ガスの供給管路が部分的に異なる。それ以外は同一に構成されているので、図５中、図１〜図４と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示すように、第２実施形態の燃料電池２００は、供給管路１６Ｂを用いて第２燃料供給層１３Ｂと第１燃料供給層１３Ａとを直列に接続している。供給管路１６Ｂは、酸素供給層１４を横断して水素ガスの流れ方向を反転させることにより、第２燃料供給層１３Ｂと第１燃料供給層１３Ａとに反対方向の水素ガスの流れを形成する。

第２実施形態では、酸素供給層１４を共有する第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとで水素ガスの流れる方向を逆方向に設定しているので、酸素供給層１４の厚み方向の水分拡散が発生する。この水分拡散によって、酸素供給層１４全体の水分濃度が平均化され、第１膜電極接合体１０Ａと第２膜電極接合体１０Ｂとにおける湿潤度のばらつきも相殺される。このため、加湿・水管理の機構が無くても、長時間に渡り安定した出力が得られる。

＜第３実施形態＞
第１実施形態、第２実施形態は、上下両面に膜電極接合体１０を配置した酸素供給層１４と燃料供給層１３とを多数段に積み重ねた構成を採用したが、酸素供給層１４を共有する一対の燃料供給層１３は、必ずしも上下両面に膜電極接合体１０を配置する必要は無い。片面側に通気性を有する層を形成した気密性材料を用いて、通気性を有する層の面を膜電極接合体１０に接続する構成としてもよい。

第３実施形態の燃料電池は、図４の（ａ）に示唆されるように、酸素供給層を共有して一対の燃料供給層を配置した三層構造で燃料電池を構成する。酸素供給層と燃料供給層との間にそれぞれ膜電極接合体を配置し、空気中への水素ガス漏れを防止するために燃料供給層の上下の外側面および側面を密封構造とする。

第３実施形態では、酸素供給層を共有する一対の燃料供給層で水素ガスの流れる方向を逆方向に設定して、酸素供給層１４の厚み方向の水分拡散を発生させる。この水分拡散によって、酸素供給層全体の水分濃度が平均化され、一対の膜電極接合体における湿潤度のばらつきも相殺される。このため、加湿・水管理の機構が無くても、長時間に渡り安定した出力が得られる。

＜比較例の燃料電池＞
図６は比較例の燃料電池の構成の説明図、図７は強制的に空気循環を行う燃料電池における水分移動の説明図、図８は比較例の燃料電池における水分移動の説明図である。

定置型発電機や自動車用燃料電池は、燃料ガスを加圧供給する加圧機構、空気を強制的に循環させる循環機構、反応に伴う温度上昇を抑制する冷却機構、燃料ガスを加湿する加湿機構などを備える。しかし、小型の電気機器に搭載する燃料電池は、加圧、循環、冷却、加湿等の不要な単純な構成が望ましい。

図６に示すように、比較例の燃料電池３００は、膜電極接合体１１０の各燃料極１１２ａ同士或いは各酸化剤極１１２ｂ同士を互いに対向させている。膜電極接合体１１０の燃料極１１２ａ同士の間に燃料供給層１１３が形成され、酸化剤極１１２ｂ同士の間に酸素供給層１１４が形成されている。これにより、特許文献２に示されるように、燃料供給層１１３と酸素供給層１１４との積層方向における大きさを小さくすることが可能である。

ここで、図７に示すように、酸素供給層１１４に空気が強制循環されている場合、酸素供給層１１４の空気の流れ方向と燃料供給層１１３の水素ガスの流れ方向を反対方向に設定することが望ましい。非特許文献１に示されるように、酸素供給層１１４と燃料供給層１１３とにおける水分拡散を相補的に実現できるからである。酸化剤極１１２ｂにおいて生成した水によって、水素ガスおよび空気が加湿されるため、水素ガスを加湿する機構を省略できるからである。

詳しく説明すれば、膜電極接合体１０を貫通する水分の移動に関しては、電気浸透現象と逆拡散現象とを考慮する必要がある。電気浸透現象は、プロトンの移動に伴って燃料極１１２ａから酸化剤極１２ｂへ水分が移動する現象であり、発電電流に依存する。一方、逆拡散現象は、膜電極接合体１１０の厚み方向の水濃度勾配によって、酸化剤極１１２ｂから燃料極１１２ａへ水分が移動する現象である。

図７に示すように、燃料供給層１１３には燃料として無加湿の水素ガスが左側より右方向に供給され、酸素供給層１１４には酸化剤として空気が右側より左方向に供給される。このとき、矢印Ｅ、Ｆで示すように、膜電極接合体１１０を厚み方向に貫通して、燃料供給層１１３と酸素供給層１１４との間で水蒸気が交換される。図７の左側部分（水素ガスの上流）では、無加湿の水素と酸素供給層１１４内で加湿された空気とによって、酸化剤極１１２ｂと燃料極１１２ａとの間の水濃度勾配が大きくなり逆拡散による水分の移動が支配的となる。このため、酸素拡散層１１４から燃料供給層１１３へ水分が移動して（矢印Ｅ）、燃料供給層１１３の水素ガスが加湿される。

図７の右側部分（水素ガスの下流）では、燃料供給層１１３で加湿された水素ガスと無加湿の空気とによって、酸化剤極１１２ｂと燃料極１１２ａ間の水濃度勾配が小さくなる。このため、電気浸透による水分の移動が支配的となって、燃料極１１２ａから酸化剤極１１２ｂへ水分が移動して（矢印Ｆ）、酸素供給層１１４の空気が加湿される。

しかし、図６に示す比較例の燃料電池３００では、酸素が自然拡散により供給されるため、水素ガスの供給方向は一方向に設定可能であるが、空気の供給方向は特定されない。このため、酸素供給層１１４の空気の流れ方向と燃料供給層１１３の水素ガスの流れ方向を反対方向に設定できない。非特許文献１に示されるように、酸素供給層１１４と燃料供給層１１３とにおける水分拡散を相補的に実現できない。かと言って、酸素供給層１１４の空気の流れを形成するために、ファンや大気の循環機構を設けるのは、低騒音化や低コスト化に反する。

図８に示すように、燃料として無加湿の水素ガスが左側より右方向に供給されるが、空気中の酸素は拡散により供給されるので流れは生じない。このとき、水素ガスの上流側では、無加湿の水素ガスにより乾燥した燃料供給層１１３内へ酸素供給層１１４から水分が移動する（矢印Ｇ）。一方、水素ガスの下流側では、燃料供給層１１３で加湿された水素ガスにより燃料拡散層１１３から酸素拡散層１１４へ水分が移動する（矢印Ｈ）。しかし、酸素拡散層１１４が無風状態で、水分の拡散に関与しないため、水素ガスの下流側から上流側へ向かって水分が補充されることがない。このため、水素ガスの上流側の酸素拡散層１１４は乾燥し易く、水素ガスの下流側の酸素拡散層１１４は過剰に加湿される傾向にある。このような状態で比較例の燃料電池３００を長時間発電すると出力が不安定となることがあった。このため、酸素が拡散により供給される燃料電池では、小型で出力の安定した燃料電池を実現できない。

＜発明との対応＞
第１実施形態の燃料電池１００は、厚み方向および平面方向に通気性を有する酸素供給層１４と、酸素供給層１４の厚み方向の両面にそれぞれ配置された第１膜電極接合体１０Ａ、第２膜電極接合体１０Ｂと、第１膜電極接合体１０Ａを挟む酸素供給層１４の反対側に配置された第１燃料供給層１３Ａと、第２膜電極接合体１０Ｂを挟む酸素供給層１４の反対側に配置された第２燃料供給層１３Ｂとを備える。第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとに酸素供給層１４を挟む反対方向の水素ガスの流れを形成する主流路１６を備える。

燃料電池１００では、第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとが酸素供給層１４を介して水蒸気を厚み方向に相補的に濃度拡散させる。第１燃料供給層１３Ａの乾燥した上流側では、第２燃料供給層１３Ｂの湿潤度過剰な下流側から第２膜電極接合体１０Ｂ、酸素供給層１４、第１膜電極接合体１０Ａを介して水蒸気が流れ込み、水素ガスが加湿される。同時に、第２燃料供給層１３Ｂの乾燥した上流側では、第１燃料供給層１３Ａの湿潤度過剰な下流側から第１膜電極接合体１０Ａ、酸素供給層１４、第２膜電極接合体１０Ｂを介して水蒸気が流れ込み、水素ガスが加湿される。

空気の流れが不確定な酸素供給層１４に頼ることなく、必ず水素ガスが流れる第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとが水蒸気を確実に運搬して相補的に水蒸気を出し入れする。この水蒸気移動によって、第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとにおける上流側と下流側との湿潤度の偏りがそれぞれ平均化される（図４参照）。従って、第１膜電極接合体１０Ａも第２膜電極接合体１０Ｂもその全面が速やかに必要な湿潤度に誘導されるので、半乾燥状態からの起動でも、第１膜電極接合体１０Ａ、第２膜電極接合体１０Ｂにおける発電性能が速やかに立ち上がって高い発電密度を確保できる。

また、第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとによって水蒸気が平面的に運搬されて、発電中の酸素供給層１４における水蒸気分圧の偏りが平均化されるため、生成水によって膜電極接合体１０が局所的に浸水しにくくなる。従って、低温高湿度の悪条件で高出力運転を継続しても、浸水による反応停止が発生しにくくなる。

言い換えれば、酸素供給層１４を共有する一対の燃料供給層１３における水素ガスの流れが逆方向であるため、高出力運転でも酸素供給層１４が均一に加湿され、出力の安定した燃料電池を提供できる。

燃料電池１００における燃料供給手段は、水素ガスを貯蔵する燃料タンク１８と、燃料タンク１８から取り出した水素ガスを減圧する減圧部１７と、減圧された水素ガスを第１燃料供給層１３Ａと第２燃料供給層１３Ｂとに導く主流路１６とを有する。第１燃料供給層１３Ａにおける下流位置と酸素供給層１４を挟んで対向する位置にて、主流路１６が第２燃料供給層１３Ｂに接続している。

燃料電池１００における第１燃料供給層１３Ａは、厚み方向および平面方向に通気性を有して第２燃料供給層１３Ｂを兼ねる。第１燃料供給層１３Ａ、第１膜電極接合体１０Ａ、前記酸素供給層１４、および第２膜電極接合体１０Ｂを含む積層構造が複数段積み重ねられる。酸素供給層１４は、厚み方向の導通を遮断する絶縁構造を含む。

第１実施形態の燃料電池１００は、厚み方向および平面方向に通気性を有して側面側を大気に連通させた酸素供給層１４と、酸素供給層１４の厚み方向の両面にそれぞれ配置されて酸素供給層１４から酸素を供給される第１膜電極接合体１０Ａ、第２膜電極接合体１０Ｂと、第１膜電極接合体１０Ａを挟む酸素供給層１４の反対側に配置されて第１膜電極接合体１０Ａに水素ガスを供給する第１燃料供給層１３Ａと、第２膜電極接合体１０Ｂを挟む酸素供給層１４の反対側に配置されて第２膜電極接合体１０Ｂに水素ガスを供給する第２燃料供給層１３Ｂとを備える。第１燃料供給層１３Ａにおける下流位置と酸素供給層１４を挟んで対向する位置に第２燃料供給層１３Ｂにおける上流位置を配置してある。

第１実施形態の燃料電池の構成を示す説明図である。 燃料供給層の外観を示す斜視図である。 燃料供給層における水素ガスの流れの説明図である。 水素ガスの流れと水分移動との関係の説明図である。 第２実施形態の燃料電池の構成の説明図である。 比較例の燃料電池の構成の説明図である。 強制的に空気循環を行う燃料電池における水分移動の説明図である。 比較例の燃料電池における水分移動の説明図である。

符号の説明

１０ 膜電極接合体
１０Ａ 一方の電解質層（第１膜電極接合体）
１０Ｂ 他方の電解質層（第２膜電極接合体）
１１ 高分子電解質膜
１２ａ 燃料極
１２ｂ 酸化剤極
１３ 燃料供給層
１３Ａ 第１燃料供給層
１３Ｂ 第２燃料供給層
１４ 酸素供給層
１５ エンドプレート
１６ 主流路
１７ 減圧部
１８ 燃料タンク
１９ 発電部
２０ 負荷
１００、２００ 燃料電池

Claims (4)

1. 厚み方向および平面方向に通気性を有する酸素供給層と、
   前記酸素供給層の厚み方向の両面にそれぞれ配置された一対の電解質層と、
   一方の前記電解質層を挟む前記酸素供給層の反対側に配置された第１燃料供給層と、
   他方の前記電解質層を挟む前記酸素供給層の反対側に配置された第２燃料供給層と、を備えた燃料電池において、
   前記第１燃料供給層と第２燃料供給層とに前記酸素供給層を挟む反対方向の水素ガスの流れを形成する燃料供給手段を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料供給手段は、
   水素ガスを貯蔵する燃料タンク手段と、
   前記燃料タンク手段から取り出した水素ガスを減圧する圧力調整機構と、
   減圧された水素ガスを前記一対の燃料供給層のそれぞれに導く供給管路と、を有し、
   前記第１燃料供給層における下流位置と前記酸素供給層を挟んで対向する位置にて、前記供給管路が前記第２燃料供給層に接続していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記第１燃料供給層は、厚み方向および平面方向に通気性を有して前記第２燃料供給層を兼ね、
   前記第１燃料供給層、前記一対の電解質層、および前記酸素供給層を含む積層構造が複数段積み重ねられ、
   前記酸素供給層は、厚み方向の導通を遮断する絶縁構造を含むことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
4. 厚み方向および平面方向に通気性を有して、側面側を大気に連通させた酸素供給層と、
   前記酸素供給層の厚み方向の両面にそれぞれ配置されて、前記酸素供給層から酸素を供給される一対の電解質層と、
   一方の前記電解質層を挟む前記酸素供給層の反対側に配置されて、一方の前記電解質層に水素ガスを供給する第１燃料供給層と、
   他方の前記電解質層を挟む前記酸素供給層の反対側に配置されて、他方の前記電解質層に水素ガスを供給する第２燃料供給層と、を備えた燃料電池において、
   前記第１燃料供給層における下流位置と前記酸素供給層を挟んで対向する位置に前記第２燃料供給層における上流位置を配置したことを特徴とする燃料電池。
   

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